7 kW 용융탄산염형 연료전지 스택 운전특성

임희천, 안교상, 강병삼, 이충곤, 최영태*, 홍성안**

전력연구원, 삼성중공업*,한국과학기술연구원**

Test Operation Results of a 7 kW MCFC Stack with 3,000 □

electrode area

H-C Lim, K-S Ahn, B-S Kang, C-G Lee, *Y-T Choi, S-A Hong **                             KEPRI, SHI*, KIST**

1. 서론

연료전지 발전은 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식으로 에너지 변환효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있으며 또한 공해가 적다는등의 장점으로 소규모 분산형 전원으로부터 대형 화력발전소용 전원등 용도가 다양하다. 이러한 연료전지 발전방식 중 용융탄산염형 연료전지(molten carbon- ate fuel cell : MCFC)는 동작온도가 650℃의 고온으로 높은 효율과 함께 석탄가스를 연료로 사용하여 복합발전을 할 수 있는 중앙집중형 전원으로 전력사업에 적용할 수 있는 새로운 발전방식이다.

한전 전력연구원에서는 이와같은 점에 착안하여 석탄가스화와 연계된 복합발전방식의 개발을 목표로 1997년부터 □100 kW급 MCFC 발전시스템 개발□을 추진하여 1999년까지 6,000 □의 대면적 단위전지를 갖는 25 kW급 스택을 제작하여 운전특성 시험을 실시 할 예정이다. 이에 앞서 1998년 초 3,000□ 단위전지 20장을 적층한 7 kW급 규모의 stack 운전시험을 진행하고 있다. 본고는 지금까지 진행된 short stack 구성 및 운전특성 시험결과를 요약하였다.

2. 스택 및 시험설비의 구성

2-1. 스택의 구성

7 kW급 스택에서 이용된 내부메니폴드형 분리판은 면적이 5,000□ (600 x 820) 직사각형 형태로 제작되었고 분리판 내 가스흐름 방향은 병행류 형태로 설계되었다. 분리판내 가스흐름은 가스 분배구가 연료극에 3 개구, 공기극 쪽으로는 4개구를 배치하였으며, 분리판내 유로를 전체 압력강하가 적게 일어나도록 고려하여 제작 하였다. 스택내에서 가스공급과 배출의 위치는 스택 하단부 공급 메니폴드에서 모아져 분배구를 따라 분배되고 다시 배출 메니폴드에서 배출하는 outlet manifold 형의 역 U 자형 가스흐름 방향으로 설계하였다.

2-2. 적층과정

전극면적 3,000 cm2의 단위전지를 20단을 적층하여 스택으로 구성하였다. 스택 제작시 전극, 전해질, matrix 및 분리판의 적층 과정을 그림 1에 나타내었다. 스택 적층은 기본적으로 단위전지를 순차적으로 수직방향으로 적층하여 용량을 증가시키는 방법을 사용한다. 스택의 구성이 단위전지와 다른점은 스택내에서는 분리판에 의하여 단위전지를 전기적으로 접속하며 분리판 상하로 연료가스와 공기를 스택내 단위전지에서 각각 공급할 수 있도록 되어 있는 점이다.

스택의 적층은 분리판에 Ni 집전판과 anode를 장착한 후, 그 위에 전해질 matrix를 놓고, stainless steel 집전판과 cathode가 장착된 분리판을 설치하는 순서로 진행된다. 스택내 열을 공급하기 위하여 상·하판 히타를 설치하였고, 전기의 인출을 위하여 집전용 단자를 설치하였다. 분피판은 SUS316를 모재로 하여 연료가스쪽에 전기도금법에 의한  Ni coating을, wet seal 부에는 Al coating을 하여 운전 중 부식에 대비하였다.

스택내부 온도측정을 위하여 5개의 분리판마다 중간 분리판을 별도로 제작하여 열전대를 삽입하였다. 스택 구성시 사용된 전극, 전해질, matrix 조성과 제조방법등의 기술규격을 표 1에 나타내었다. Tape-casting방법으로 제조된 전극을 anode의 경우 1,000□에서, cathode는 700□에서 각각 소성하여 사용하였으며, 전해질과 matrix는 green-sheet 상태로 사용하였다. 적층이 완료된 스택은 대형 스택 실험 장치에 옮겨져 전처리 과정을 거친 후 성능 실험을 수행하였다.

2-3. 스택 운전시험설비

대형 MCFC 스택 운전시험 설비에서 수소가스는 개질기 및 봄베로부터 유량조절기를 통하여 유량을 조절하여 공급하였으며, anode쪽에 탄소 석출방지를 위하여 습분을 공급하였다. 또한 공급되는 가스는 열충격 방지를 위하여 배관상의 연료극 및 공기극에 각각 2기의 가스 예열기로 예열하여 공급하였다. 연료전지 스택은 상부 개방형의 2층 구조로 된 철제빔 구조위에 설치하였다. 스택은 전기적으로 절연되어야 하기 때문에 배관 플랜지부에는 절연 가스켓을 사용하였고, 스택 상부에는 MCFC stack에 일정한 면압(약 1.5 □/□)을 주기 위하여 2기의 공기실린더를 설치하였다. 스택내로 유입되는 연료가스와 산화제가스의 차압감시를 위하여 라인상에 수주계를 설치하여 차압을 감시할 수 있도록 하였다. 스택내에서 반응을 완료하고 배출되는 배가스는 냉각하여 연소시켜 배출하였다.

스택의 성능측정은 전자부하 장치를 설치하여 정전류상태에서 전압을 측정하였고, 제어 및 자료수집부를 통하여 스택에 공급되는 유량과 가습기, 예열기의 온도를 자동으로 제어운전하며 또한 자료의 수집과 저장도 동시에 이루어 지도록 하였다.

3. 운전특성시험 결과

3-1. 스택 운전조건 및 운전실적

스택에 공급되는 anode 가스는 천연가스를 개질하여 얻을 수 있는 조성인 H2/CO2/H2O의 비가 72%/18%/10% (가습온도 55℃)가 되도록 하였고, cathode에 공급되는 가스는 air/CO2의 비가 70%/30%가 되도록 하였다. 스택온도는 상·하부 cell frame의 온도가 650℃가 되도록 온도 조절기로 제어하였고, 정부하로 전류밀도 150 mA/□일때 전압의 변화를 측정하였다. 스택은 1998년 1월 시험설비에 장착후 약 400 시간의 전처리 과정을 거친 후 부하운전 시험에 착수하였다.

3-2. 초기 운전 성능

그림 1은 산화제로 공기를, 연료로 수소를 공급하여 운전할 때의 MCFC 스택내의 단위전지 전압특성을 보여주고 있다. 이때 공급가스 유량은 전류밀도 150 mA/□일때 연료이용율이 40%가 되는 조건으로 고정하였다. 부하를 걸기전 개회로 전압은 21.81 V(1.091 V/cell)로서 이론치인 1.071 V보다 높게 나타나고 있다. 이는 연료전지 전체가 아직도 충분한 가열상태가 되지 않았기 때문으로 생각된다. 부하를 건 상태에서 초기성능을 살펴보면 150 mA/□ 정부하 운전시의 전압은 15.92 V(0.799 V/cell)로서 7.164 kW 의 출력을 보여주었다.

스택내에서의 단위전지 전압분포는 0.849 V, 0.658 V를 나타내어 전압분포의 표준편차가 약 164 mV로 이전 대면적 3 cell 스택의 24 mV보다 크게 나타나고 있으나, 그림 2와 같이 200 시간 운전 후에는 편차가 줄어들어 안정된 값을 보여주고 있다. 이러한 값은 이전 1,000 □급 단위전지 적층시 34 mV보다도 높은 값을 나타내었다. 이번 스택의 경우 초기 No. 19 cell이 타전지에 비하여 낮은 전압분포를 나타내고 있는데 이는 No.19 cell이 위치한 하부쪽 운전온도가 아직 적정 운전온도에 도달하지 않았기 때문으로 생각된다.

3-3. 스택 내부 온도변화

스택 내부의 온도변화 측정을 위하여 스택내 상·하 가열판 및 가스 메니폴드내 총 51개의 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 부하 운전시의 열분포를 살펴보면 분리판 내에서의 열분포는 예상대로 입구보다는 출구쪽의 온도가 높게 나타나고 있으며, 입구와 출구의 최대 온도차는 100℃ 정도이고 상·판과 중심부의 온도차는 입구가 20℃, 출구는 약 40℃ 정도 차이가 나고 있다. 부하에 따른 온도 변화에 있어서는 부하의 증가에 따라 온도가 상승되고 있는 경향을 보여주고 있다.

3-3. 연속 운전시험

그림 2는 7 kW급 스택내 단위전지의 연속 운전시험 결과를 보여주고 있다. 스택은 운전초기 부하운전후 100 여시간 경과부터 성능이 서서히 증가함을 보여주고 있으며 전체적인 단위전지의 평균 전압차도 줄어들고 있다. 약 250시간 경과후 초기성능보다 높은 성능을 보여주고 있으며 향후 계속적인 운전평가를 시행할 예정이다. 초기성능 17.45 V(300 A at 100 mA/□)에서 250 시간이 경과한 현재에는 17.9 V를 보여주고 있다.

4.결론

전극 유효면적이 3,000 □인 단위전지를 20단 적층한 병행류형 MCFC stack을 제작하여 초기 운전 특성시험을 실시 하였다. 1998년 1월 장착한 스택은 1998년 2월 20일 현재 총 700 시간에 250 시간의 부하운전을 기록하고 있으며, 운전성능이 향상되고 있어 높은 신뢰성을 나타내고 있다. 운전 특성시험에 있어서는 150 mA/□ 정부하 상태에서의 초기성능은 스택전압이 15.92 V로 평균 단위전지 전압이 0.8 V에 근접한 값을 보여주었고, 이때 출력은 7.14 kW를 기록하였다. 스택내 단위전지 전압분포에 있어서 초기 표준편차는 24 mV를 보여 주었고 현재까지 우수한 성능을 보여주고 있다.

본 실험에서 3,000 □ 단위전지를 20장 적층한 스택이 충분한 성능을 보여 주므로서 앞으로 계획되어있는 25 kW급 full height stack의 개발에 대한 기본기술의 확립을 확인하였으며, 향후 이에 대한 준비에 착수할 예정이다.

5.참고문헌

1.임희천, 설진호, 류철성, 이창우, 홍성안 : □교차류형 100 W급 용융탄산염형 연    료전지 스택 장기운전 평가,□ 한국 수소에너지 학회, Vol. 6, No.2(1995).

2.남석우, 이갑수, 임태훈, 오인환, 홍성안, 임희천, 강인준 : □소형 용융탄산염형   연료전지스택의 운전특성Ⅱ,□ 화학공학, Vol. 34, No.5 (1996) pp. 651-657.

3.임희천, 설진호, 안교상, 김동형, 홍성안 : □2 kW 용융탄산염형 연료전지스택    운전특성,□ 화학공학의 이론과 응용, Vol.3, No.1 (1997).

3.임희천, 안교상, 김동형, 최영태, 홍성안 : 3000 □급 대면적 단위전지 이용 융   탄산염형 연료전지 스택 운전특성,□ 화학공학의 이론과 응용, Vol.3, No.3        (1997).

Table 1. Componernt specification of 7 kW MCFC stack.

	Matrix	Electrolyte	Anode	Cathode	Separator
Material	LiAlO2	Li2CO3/K2CO3	Ni+10%Cr	NiO	SUS 316L
Fabrication method (cm x cm)	Tape casting 60 x 82	Tape casting 55 x 120	Tape casting 41 x 76	Tape casting 40x 75	-
Thickness (mm)	0.45	0.3∼0.4	0.75	0.65	5(8)
Porosity(%)/ Pore Size (□m)	55/0.25	-	63/4.5	80/9.2	-

Fig.1 Voltage distribution in 7 kW MCFC stack with 3,000 □ eleectrode area.

Fig. 2 Unit cell voltage changes in 7 kW MCFC stack by elapsed time.